如何讓你設(shè)計(jì)的電子產(chǎn)品通過EMC標(biāo)準(zhǔn)？PCB被動組件的隱藏特性解析

　　傳統(tǒng)上，EMC 一直被視為「黑色魔術(shù)（black magic）」。其實(shí)，EMC 是可以藉由數(shù)學(xué)公式來理解的。不過，縱使有數(shù)學(xué)分析方法可以利用，但那些數(shù)學(xué)方程式對實(shí)際的 EMC 電路設(shè)計(jì)而言，仍然太過復(fù)雜了。幸運(yùn)的是，在大多數(shù)的實(shí)務(wù)工作中，工程師并不需要完全理解那些復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式和存在于 EMC 規(guī)范中的學(xué)理依據(jù)，只要藉由簡單的數(shù)學(xué)模型，就能夠明白要如何達(dá)到 EMC 的要求。

　　本文藉由簡單的數(shù)學(xué)公式和電磁理論，來說明在印刷電路板（PCB）上被動組件（passive component）的隱藏行為和特性，這些都是工程師想讓所設(shè)計(jì)的電子產(chǎn)品通過 EMC 標(biāo)準(zhǔn)時，事先所必須具備的基本知識。

　　導(dǎo)線和 PCB 走線

　　導(dǎo)線（wire）、走線（trace）、固定架……等看似不起眼的組件，卻經(jīng)常成為射頻能量的最佳發(fā)射器（亦即，EMI 的來源）。每一種組件都具有電感，這包含硅芯片的焊線（bond wire）、以及電阻、電容、電感的接腳。每根導(dǎo)線或走線都包含有隱藏的寄生電容和電感。這些寄生性組件會影響導(dǎo)線的阻抗大小，而且對頻率很敏感。依據(jù) LC 的值（決定自共振頻率）和 PCB 走線的長度，在某組件和 PCB 走線之間，可以產(chǎn)生自共振（self-resonance），因此，形成一根有效率的輻射天線。

　　在低頻時，導(dǎo)線大致上只具有電阻的特性。但在高頻時，導(dǎo)線就具有電感的特性。因?yàn)樽兂筛哳l后，會造成阻抗大小的變化，進(jìn)而改變導(dǎo)線或 PCB 走線與接地之間的 EMC 設(shè)計(jì)，這時必需使用接地面（ground plane）和接地網(wǎng)格（ground grid）。

　　導(dǎo)線和 PCB 走線的最主要差別只在于，導(dǎo)線是圓形的，走線是長方形的。導(dǎo)線或走線的阻抗包含電阻 R 和感抗 XL = 2πfL，在高頻時，此阻抗定義為 Z = R + j XL j2πfL，沒有容抗 Xc = 1/2πfC 存在。頻率高于 100 kHz 以上時，感抗大于電阻，此時導(dǎo)線或走線不再是低電阻的連接線，而是電感。一般而言，在音頻以上工作的導(dǎo)線或走線應(yīng)該視為電感，不能再看成電阻，而且可以是射頻天線。

　　大多數(shù)天線的長度是等于某一特定頻率的 1/4 或 1/2 波長（λ）。因此在 EMC 的規(guī)范中，不容許導(dǎo)線或走線在某一特定頻率的 λ/20 以下工作，因?yàn)檫@會使它突然地變成一根高效能的天線。電感和電容會造成電路的諧振，此現(xiàn)象是不會在它們的規(guī)格書中記載的。

　　例如：假設(shè)有一根 10 公分的走線，R = 57 m?，8 nH/cm，所以電感值總共是 80 nH。在 100 kHz 時，可以得到感抗 50 m?。當(dāng)頻率超過 100 kHz 以上時，此走線將變成電感，它的電阻值可以忽略不計(jì)。因此，此 10 公分的走線將在頻率超過 150 MHz 時，將形成一根有效率的輻射天線。因?yàn)樵?150 MHz 時，其波長 λ= 2 公尺，所以 λ/20 = 10 公分 = 走線的長度；若頻率大于 150 MHz，其波長 λ 將變小，其 1/4λ 或 1/2λ 值將接近于走線的長度（10 公分），于是逐漸形成一根完美的天線。

　　電阻

　　電阻是在 PCB 上最常見到的組件。電阻的材質(zhì)（碳合成、碳膜、云母、繞線型…等）限制了頻率響應(yīng)的作用和 EMC 的效果。繞線型電阻并不適合于高頻應(yīng)用，因?yàn)樵趯?dǎo)線內(nèi)存在著過多的電感。碳膜電阻雖然包含有電感，但有時適合于高頻應(yīng)用，因?yàn)樗慕幽_之電感值并不大。